Search academic texts

Registration Number

0823U100191, PhD dissertation

Title

Methods and system of increasing the efficiency of piezoelectric micromanipulator control

Author

Omelian Anatolii Vasylovych,

popup.head Lysenko Oleksandr Mykolayovych
popup.opponent Filimonov Serhiy O.
popup.opponent Tkachuk Andrii Genadiiovych
popup.review Movchanuk Andrey V.
popup.review Orlov Anatolii Timofijovych

Status

Доктор філософії, 172, Електроніка та телекомунікації. Телекомунікації та радіотехніка

Date

27-03-2023

Description

Дисертаційна роботи присвячена вирішенню актуальної та важливої науково-прикладної задачі підвищення ефективності керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором на базі лінійних п’єзоелектричних двигунів на стоячих акустичних хвилях з прямокутним резонатором в мікро- та нанодіапазонах швидкостей, що досягнуто за рахунок подальшого розвитку і вдосконалення існуючих методів керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором, розробки програмно-апаратних рішень, їх реалізації та системи керування на їх основі. Під ефективністю тут розуміється бажана відповідність наступним критеріям: -широкий діапазон швидкості руху; -низький рівень вібрацій; -точність позиціонування; -маневреність (точна та швидка реакція на команду керування). Проведено аналіз конструкції мікроманіпулятора, а також його базового компоненту – лінійного п’єзоелектричного двигуна. Досліджено властивості резонатора п’єзоелектричного двигуна, а також умови утворення двох взаємно-перпендикулярних механічних коливань в ньому для виникнення еліпсу руху. Це дало змогу оцінити можливості двигуна, переваги та недоліки в контексті застосування його в мікроманіпуляційній системі, а також визначити шляхи отримання покращених характеристик кінцевого пристрою. Встановлено, що основними перевагами даного типу двигунів є здатність утримувати положення без прикладання додаткової енергії та високі старт-стопні характеристики (можливість майже миттєвого старту та зупинки двигуна). Проведено дослідження лінійних направляючих п’єзоелектричних двигунів, а саме кутів відхилення Pitch, Yaw та Roll від прямолінійного руху каретки двигуна (робочого інструменту маніпулятора), що дало змогу оцінити величину відхилення робочого інструменту маніпулятора в залежності від його довжини. Розроблено математичну модель переміщення робочого інструменту маніпуляційної системи під впливом кутових відхилень Pitch та Yaw, що дає можливість алгоритмічно компенсувати дані відхилення для мінімізації похибки позиціонування мікроманіпулятора з врахуванням експериментальних даних отриманих при дослідженні направляючих двигунів. За допомогою програмного комплексу Comsol Multiphysics проведено моделювання механічних коливань п’єзоелектричного резонатора двигуна, що дозволило підтвердити необхідність вибору саме правого електричного резонансного піка двигуна при його керуванні. На основі експериментальних досліджень характеристик двигуна підтверджена модель механічних коливань резонатора, а саме, що резонансна характеристика двигуна має два резонансні піки і найбільш ефективним методом керування швидкістю двигуна є регулювання частоти збудження в зоні правого схилу правого резонансного піка. Удосконалено метод керування п’єзоелектричним двигуном з прямокутним резонатором на основі широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) шляхом мінімізації швидкості двигуна при його старті та зупинці, що дозволило зменшити рівень шумів та вібрацій в 2-10 разів при роботі в мікродіапазоні. Подальшого розвитку отримав метод керування п’єзоелектричним двигуном, який забезпечив режим керування швидкістю в нанодіапазоні за рахунок використання фіксованої кількості імпульсів збудження (до 20 в послідовності) з регулюванням частоти слідування цих послідовностей, яка формувалася механічним засобом керування мікроманіпулятором (джойстик, трекбол), що дозволило підвищити маневреність керування більше, ніж у 2 рази. Удосконалено метод підвищеної точності позиціонування п’єзоелектричного мікроманіпулятора в автоматичному режимі за рахунок уникнення перерегулювань шляхом зміни переміщення маніпулятора при безперервному русі до крокового режиму руху з подальшою зупинкою в точці позиціонування. Розроблено алгоритмічні та програмні рішення реалізації удосконалених методів керування п’єзоелектричним мікроманіпулятором / двигуном та систему керування на їх основі, що дозволило досягти діапазон керування по швидкості 140 мм/с - 0.05 мм/с, точність позиціювання з енкодерною версією (5-10) мкм і, як наслідок, в середньому підвищило ефективність мікроманіпуляторної системи у порівнянні з існуючими рішеннями у 2 рази. Створено засоби контролю параметрів нових п’єзоелектричних двигунів, які дозволяють вимірювати характеристики п’єзоелектричного резонатора, досліджувати точність переміщень лінійних направляючих та здійснювати вимірювання вібраційних ефектів при дослідженні нових методів керування п’єзодвигуном та скоротити час їх тестування в середньому в 1.5-2 рази.